Bevezetés
Míg az olyan analitikai technikák, mint az EDX vagy az ICP-MS a kémiai elemek részletes elemzését biztosítják, például a sómintában előforduló elemekét [1], a termikus analízis módszerei az ilyen mintákban jelen lévő különböző kémiai vegyületek azonosítására és jellemzésére is használhatók. Az egyidejű termikus analízist (STA), amely a termogravimetriát (TGA) és a differenciál pásztázó kalorimetriát (DSC) jelenti, amelyeket egy kísérletben egyidejűleg végeznek, például cement nyersanyagok vizsgálatára alkalmazták, beleértve az alkálifémsó szennyeződések jelenlétét és hatását [2]. Egy másik példa a fázisváltó anyag (PCM) nátrium-nitrát, NaNO3 olvadási folyamata és fajlagos hőkapacitása, amelyet DSC segítségével vizsgáltak [3].
Ez a munka NaCl, KCl, a szokásos asztali só és az úgynevezett himalájai só STA-méréseivel foglalkozik, ahol a sók olvadása, részleges elpárolgása és összetételének elemzése áll a középpontban. Az alkáli sók, mint a NaCl (halit) és a KCl (szilvit) fontos szerepet játszanak mindennapi életünkben. Míg a NaCl az étkezési vagy konyhasó fő alkotóeleme, addig a KCl például útszóró sóként használható télen. A Pakisztánból származó himalájai só egy természetes só, amely - a NaCl mellett - különböző ásványi anyagokat és oxidokat, például Fe2O3-t [1] tartalmaz, ami az enyhén rózsaszínű színéért felelős (lásd a fenti képet).
Kísérleti
A méréseket az STA 449 F5 Jupiter® (lásd az 1. ábrát) segítségével végeztük. Ez a műszer, amelynek SiC kemencéje 1600 °C maximális mintahőmérsékletet tesz lehetővé, opcionálisan felszerelhető automatikus mintaváltóval (ASC) és a keletkezett gázok elemzéséhez szükséges csatolási technikákkal, mint például MS, FT-IR vagy GC-MS. A mérleg mérési tartománya 35 g-ig terjed, a mérleg felbontása a teljes tartományban 0,1 μg. Az STA 449 F5 Jupiter® másik előnye a TG-BeFlat® szoftverfunkció, amely automatikusan figyelembe veszi a felhajtóerő-hatást, így a standard vizsgálatokhoz már nincs szükség alapvonal-mérésekre.
A munka során alkalmazott mérési feltételeket az 1. táblázat foglalja össze.
Táblázat: A munka során alkalmazott mérési feltételek
Mérési feltételek | |
|---|---|
| Műszer | STA 449 F5 Jupiter® |
| Mintahordozó | TGA-DSC típus S |
| Tégelyek | PtRh (0,19 ml) |
| Fűtési sebesség | 10 K/perc |
| Mintatömegek | 23 ± 1 mg |
| Atmoszféra | N2 |
| Tisztítógáz áramlási sebessége | 70 ml/perc |
A NaCl [4] és a KCl [5] minták névleges tisztasága egyaránt 99,8% volt, míg az asztali só és a himalájai só tisztaságára vonatkozóan nem állt rendelkezésre információ. Minden mintát úgy mértünk, hogy a szemcsék vékony rétege éppen csak a tégely alját fedte; a mintaanyagot nem őröltük és nem tömörítettük.
Eredmények és vita
A 2. ábrán a NaCl minta hőmérsékletfüggő tömegváltozása és hőáramlási sebessége látható. A 802,1 °C-os extrapolált kezdőhőmérsékletnél 813 °C-os csúcshőmérsékletű és 480 J/g entalpiájú endoterm hatás figyelhető meg, amely a minta Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának tulajdonítható. Az olvadáspontot tükröző kezdeti hőmérséklet jól egyezik az irodalmi 801°C-os értékkel; a 480 J/g entalpia szintén jó összhangban van az irodalomban talált 484 J/g fúziós hőértékkel [6]. Körülbelül 800°C felett 0,9%-os tömegveszteség következett be, ami a minta részleges PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásának köszönhető.
A KCl-mintára vonatkozó STA-eredményeket a 3. ábra mutatja. Ismét olvadást és részleges elpárolgást figyeltünk meg; a 771,4 °C-on észlelt Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont jó összhangban van a 772 °C-os irodalmi értékkel, a 361 J/g-os entalpiaérték pedig ismét összhangban van a hivatkozásban [6] közölt 351 J/g-os értékkel.
A 4. ábrán az asztali sómintára kapott STA-eredmények láthatók, amelyek egyértelműen eltérnek a tiszta NaCl-mintára kapott eredményektől (hasonlítsa össze a 4. és a 2. ábrát): A fő DSC-csúcs kezdete 797,2°C-on van, és így jelentősen a tiszta NaCl esetében megfigyelt 802,1°C-os érték alatt van; emellett egy további endoterm hatást észleltünk egy extrapolált 724°C-os kezdeti hőmérsékleten. A fő olvadási hatás 499 J/g-os entalpiája ugyanabban a tartományban van, mint a tiszta NaCl esetében megfigyelt 480 J/g-os érték, míg az első hatás entalpiája mindössze 6 J/g. A fő olvadási hatás entalpiája csak 6 J/g-os. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az asztali só - a várakozásoknak megfelelően - nem tiszta NaCl; az asztali sómintán talált DSC-görbe jellemzően bináris sókeverékeknél figyelhető meg [7]. Ebben az esetben a NaI-NaCl, amelynek NaI-koncentrációja az alsó százalékos tartományban van, a legvalószínűbb jelölt [7].
Az 5a. és 5b. ábrán látható, a himalájai sóra kapott STA-eredmények még összetettebbek, mint az asztali sóra kapott eredmények. Ez már a 700°C alatt megfigyelt 0,06%-os, 0,07%-os, 0,05%-os, 0,05%-os, 0,17%-os és 0,10%-os tömegveszteség lépcsőfokokban is látható, csak a himalájai sóminta esetében (lásd az 5b. ábrát). Körülbelül 400°C alatt a DSC-jel endoterm hatásokat mutatott, amelyek korrelálnak - és amelyek a tömegvesztési lépéseknek tulajdoníthatók; a csúcshőmérsékletek és entalpiák részletei az 5b. ábrán láthatók. A körülbelül 200°C alatti tömegveszteség valószínűleg a nedvesség felszabadulásának és a gipsz (CaSO4∙2H2Oés CaSO4∙½H2Okeveréke) dehidratálódásának köszönhető, amelynek becsült koncentrációja a szubszázalékos tartományban van. Körülbelül 200°C és 400°C között a tömegveszteség lépései a különböző karbonátok Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásából eredhetnek, míg a 450°C közötti tömegveszteség lépése a Ca(OH)2 dehidratációjából eredhet. A tömegvesztési lépések további értelmezéséhez egyértelműen hasznos lenne a fejlődő gázok elemzése [8]. A DSC-eredmény körülbelül 580°C felett szintén nagyon összetett (lásd az 5b. ábrát): Legalább hét endoterm DSC-hatást észleltünk. A 799°C-os fő csúcs ismét valószínűleg egy bináris, NaCl-ben gazdag keverék, például NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] vagy Na2CO3- NaCl [7, 9] eredménye, ahonnan a 712°C-os DSC-csúcs is származhat. A többi 580°C és 720°C közötti DSC-hatás feltehetően több jodid, fluorid, klorid, karbonát vagy szulfát, illetve ezek NaCl-lal vagy KCl-lal való keverékeinek olvadási folyamataiból ered [7, 10]. Például az 587°C-os DSC-csúcs CaI2 vagy K2SO4, a 690°C-os éles csúcs KI, a 679°C-os csúcs pedig a Fe2O3 szerkezeti átalakulásának lehet a következménye [10]. További részletek, mint például a csúcshőmérsékletek és entalpiák, ismét az 5b. ábrán láthatók. A himalájai só 2,74%-os tömegvesztesége 700°C felett (lásd az 5a. ábrát), ami ismét a részleges PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgás következménye, jelentősen nagyobb, mint a többi vizsgált mintaé.
Következtetés
A NaCl, KCl, konyhasó és himalájai só vizsgálata az STA 449 F5 Jupiter® segítségével bebizonyította, hogy ez a műszer jól alkalmas olyan anyagok vizsgálatára, mint az alkáli sók és keverékeik. Különösen a DSC jel, amely nagyon világosan tükrözi az olvadási folyamatokat és más fázisátalakulásokat, lehetővé teszi a fázisdiagramok vizsgálatát az olvadási hőmérsékleteken és még az entalpiákon keresztül is. A TGA-jel nemcsak a minta PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgását jelzi, hanem például a szennyező anyagok bomlása miatt bekövetkező tömegveszteséget is, amely számos esetben azonosítható és számszerűsíthető.